双主轴铣削加工中心立柱的静态动态分析及优化

　　为了满足国内对航空发动机机匣加工专用设备的需求，研发了大功率、双主轴龙门式铣削加工中心。该加工中心具有立式和卧式两个加工主轴，分别位于横梁和立柱上，由于采用龙门框架结构，该加工中心具有很高的刚性［1］，不但满足了大功率强力铣削的要求，而且其紧凑的结构极大地提高了航空发动机机匣的加工效率。该机床的立柱不仅要承受来自横梁和立轴的重力，还要承受卧轴的重力和铣削力的作用，因此该立柱应具有较强的抗压、抗扭和抗振的能力，其静动特性的优劣直接影响到整个机床的加工性能［2 － 3］。采用传统经验设计的立柱，其结构尺寸和质量较大，易造成材料的浪费和成本的增加，需要对立柱进行静、动态分析，确定立柱薄弱部位和方向［4 － 5］，再对其进行优化。目前立柱的优化方法很多，例如通过对不同筋板布局进行类比择优的方法［6］，采用基于遗传算法的多目标优化方法［7］，以及采用拓扑优化与尺寸优化相结合的优化方法［8］等。
　　文中以双主轴铣削加工中心的立柱为研究对象，对其进行了静力、模态和谐响应分析，确定立柱静、动刚度薄弱和不足之处; 根据分析结果，建立多目标优化模型，通过多目标遗传算法和灵敏度分析进行优化设计，最后根据最大峰值响应情况确定了最优方案。
1 立柱有限元模型以及受力模型的建立
　　双主轴铣削加工中心采用立柱龙门式框架结构，并设置立式、卧式两个切削主轴，如图 1 所示，文中研究的立柱上布置了卧式主轴，主轴功率为 39 kW 最高转速为 4 500 r / min，立柱与滑鞍采用具有高刚度的滑动导轨连接。
1. 1 有限元模型的建立
　　使用 Pro / E 建立立柱的三维模型，在保证求解精度的前提下对立柱进行简化处理。
将三维模型连接到 ANSYS Work- bench ( AWB) 中进行前处理，在立柱导轨上建立受力面。设置材料为 HT300，密度为 7 350 kg / m3 ，弹性模量为 130 GPa，泊松比为0. 27。以立柱最小特征尺寸为依据设置网格尺寸为 80 mm，立柱的底部、与床身连接处的边界条件设置

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4 结束语
　　通过对双主轴铣削加工中心立柱进行静力分析，确定了立柱静刚度薄弱的方向; 由模态和谐响应分析，确定了立柱在动载荷的作用下，前 3 阶固有频率的响应较大，其动态特性存在不足; 根据分析结果，建立了多目标优化模型，由多目标遗传算法和灵敏度分析进行了优化，最后根据立柱最大峰值响应的情况，确定了最优方案，最终使立柱总变形量减小了5. 5% ，质量减少了 1. 2% ，前 3 阶频率加权平均值增加了 2. 17% ， X、Y 方向峰值响应分别减小了75. 5% 、75. 44% ，提高了立柱静动刚度、减小了质量。

双主轴铣削加工中心立柱的静态动态分析及优化

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